基于PSO-CNN-XGBoost水下柱形装药峰值超压预测

为探索水下柱形装药结构、爆距等参数与水下柱形装药峰值超压的关系,将装药样本数据视为二维数据,建立粒子群优化(Particle Swarm Optimization,PSO)算法、一维卷积神经网络(1D Convolutional Neural Network,1DCNN)和极端梯度提升(Extreme Gradient Boosting,XGBoost)的水下柱形装药峰值超压融合预测算法。采用相关性分析与数据可视化方法,分析装药结构参数、爆距与峰值超压之间的关联关系。设计1DCNN深度网络挖掘不同长径比、爆距等参数与峰值超压之间的纵向时序关系。运用XGBoost算法寻找装药结构参数、爆距与峰值超压之间的横向非线性关系,提升小样本数据的预测精度。使用PSO算法优化1DCNN和XGBoost的超参数,获得最优算法结构。研究结果表明,在包含10种智能算法的对比实验中,PSO-CNN-XGBoost水下柱形装药峰值超压预测算法在精度、稳定性、拟合程度上均高于其他模型。

筑坝级配料爆破开采数值仿真与应用

水电工程中堆石坝的长期运行安全与坝体填筑料的质量密切相关,科学、准确预测爆破级配分布是需要解决的关键问题。因此提出了一种适用于工程尺度的水工级配料开采爆破数值仿真方法,并结合重大水电工程应用以验证其有效性。首先,基于爆破块度形成的力学机理,结合相关测试数据,分析确定岩体破碎脱离母岩临界条件下的爆破损伤阈值,建立水工级配料开采岩体爆破破碎的损伤阈值判据;进而基于这一判据,采用图像软件对爆破块度边界进行识别,确定爆破块度的空间分布特征,并定量输出爆破级配分布曲线;最后基于两河口水电站大坝填筑料的爆破开采,采用上述方法分别针对堆石料和过渡料的开采爆破进行数值仿真,并采用现场实测的筛分资料进行对比,结果表明,所提的数值计算方法可以很好地模拟爆破块度的空间分布;进一步分析了不同孔位布置特性对级配料不均匀系数的影响,矩形布孔和梅花形布孔两类形式在形成爆破块度的分布特性上有明显的差异,矩形布孔有利于生成连续-不均匀的爆破级配分布形式。

近接既有隧道爆破激发地震波成分构成及特性研究

为研究新建隧道爆破地震波不同成分对既有隧道结构安全的影响,基于地震学极化偏振原理,结合现场爆破振动监测和ANSYS/LS-DYNA数值模型,分析既有隧道衬砌振动波型的成分构成及特性,探讨既有隧道衬砌动拉应力与P波峰值合振速的关联性。研究结果表明:新建隧道MS1、MS3、MS5、MS7、MS9、MS11和MS13段毫秒延期爆破P、S和R波对既有隧道衬砌质点振动均有贡献,各段别前期均由传播速度最快的P波主导,而后S波和R波相继成为主导波型;地震波传播路径及测振点的位置与波型成分密切相关,新建隧道已开挖和未开挖2个区域所对应的既有隧道质点振动特性存在显著差异,当L/D>1.58(L为距爆源中心的水平距离,D为隧道净距)时,未开挖区域的S波最大幅值超过P波最大幅值,成为后续区段质点振动的主导波型;既有隧道衬砌动拉应力与P波峰值合振速线性相关性较好,安全振速阈值为10.53 cm/s。

正高程差下边坡爆破对X70钢管振速的影响

为了探究正高程差边坡爆炸施工对邻近埋地管道振速的影响,基于商用有限元软件ANSYS/LS-DYNA采用数值模拟方法研究了炸药量相同(30 kg),正高程差不同(2.1、2.6、3.1、3.6、4.1、4.6和5.1 m)时,边坡爆破振动对既有X70管道振速的影响,并与平面地形结果作对比分析。研究表明:相较于平面地形,在水平距离不变的条件下,管道Y方向上会出现振速放大现象,且随着高程增大,振速加快衰减。管道振速放大系数随着高程差的增大呈现先增大后减小的趋势。当高程差为3.1 m时,管道迎爆面测点的振速放大系数最大,为1.998;当高程差为3.6 m时,管道背爆面测点的放大系数最大,为1.622。爆炸地震波在不同的介质界面发生折射和反射所形成的叠加效应以及在坡脚发生绕射,是产生高程放大效应的主要原因。

跨山区航道桥梁改建工程水沙条件影响研究

山区航道通航尺度小、比降大、流速快、枯丰变化明显、水文情况复杂。丽水莲都碧湖大桥改建工程位于瓯江干流中游,其所跨河段现状航道和规划航道线路不同,桥梁建设需同时满足现状航道通航和预留规划航道发展空间两项要求,因此对桥墩的布置提出了更高的要求。通过对桥梁通航净空尺度的计算分析表明,规划航道布置在主桥主跨内满足通航要求,而现状航道布置在主桥左侧桥跨内时,左侧主墩位于现状航道边缘,将对现状船舶通航安全构成影响。采用平面二维水流泥沙数学模型,研究桥梁改建对现状航道和规划航道水流条件和泥沙冲淤的影响,并提出将现状航道向左侧疏浚拓宽4 m,以满足通航要求的改善措施,可为跨山区航道的桥梁改建工程解决方案提供借鉴。

水下爆炸载荷下柔性支撑板架结构防护效能快速预报与优化方法

为实现柔性支撑板架结构在水下爆炸下防护效能的快速评估和设计优化,基于高置信度仿真,建立了水下爆炸作用下柔性支撑板架防护效能的评估方法并开展试验验证。采用验证后的高置信度仿真方法生成样本工况数据,并通过径向基神经网络模型构建能快速评估柔性支撑板架结构防护效能的代理模型。结合多岛遗传算法对建立的代理模型进行防护结构高防护效能和轻量化的多目标优化并获取最优结构参数。建立的快速预报与优化方法可以为相关的结构设计优化提供重要的技术支撑。

远场水下爆炸冲击作用下重力坝动力稳定性的简化时程分析方法

高坝大库的抗爆与防护是国防安全的重要研究课题。该文针对远场水下爆炸冲击作用下混凝土重力坝的稳定安全评价问题,研究了远场水下爆炸冲击波的传播及其与坝体的相互作用过程;基于波动理论和平面波假设,建立了重力坝爆炸动应力场的简化理论计算模型,最终建议了一种远场水下爆炸冲击波作用下重力坝动力稳定性的简化时程分析方法;同时结合工程实际,采用该方法对某混凝土重力坝的动力稳定性进行了分析。结果表明:在远场爆炸冲击荷载作用下,重力坝的稳定安全系数呈现出先增后减再增并最终保持恒定的变化规律;下游坝面反射形成的拉伸波与剪切波的共同作用是导致建基面稳定安全系数降低的主要原因。

开放空间高压氢气射流中点火爆炸的实验研究

采用高速相机和压力传感器,对开放空间中稳态射流氢气点火爆炸初期的火焰行为和超压变化规律进行了实验研究。结果表明:在点火爆炸初期,火焰在点火电极处以球形向外扩散;爆炸后4~6 ms,火焰前锋达到最大位移,之后逐渐熄灭,最后形成射流火焰。火焰前锋位移主要受喷嘴直径影响,并随喷嘴直径的增大而增大。火焰宽度的变化规律与火焰前锋位移基本相似。整个爆炸过程仅出现1个超压峰值,正压维持时间约为1 ms。在同一点火距离处,峰值超压随氢气流量的增加而增大。在相同氢气流量下,峰值超压随点火距离的增大而减小。最大峰值超压与氢气流量成正比,与点火距离成反比。

减振材料对圆柱水池爆破振动规律的影响

在水下爆炸理论与技术的应用研究中,爆炸水池是十分重要的基础试验装置。研究爆炸水池爆破振动效应和减振对于圆柱形爆炸水池使用过程中的振动控制具有指导意义。为研究圆柱形水池内部装药爆炸对周围地面产生的爆破振动并寻求合适的减振材料,选取了建筑碎石、SD型橡胶垫2种减振材料,在小型爆炸水池中进行了单药包在无减振、建筑碎石和SD型橡胶垫减振3种模式下的爆炸试验,对采集到的爆破振动信号进行峰值振速分析、EEMD-HHT(ensemble empirical mode decomposition-Hilbert-Huang transform)处理及小波包分析。结果表明:爆炸水池周围地面的爆破振动包含爆炸冲击波导致的振动、水池跳动导致的触地振动,通过Hilbert瞬时能量分析可以有效识别水池产生的跳动;碎石减振和SD型橡胶减振垫模式下的振速较无减振模式下的振速分别降低53.0%和43.1%,振动能量分别降低64.9%和57.4%;3种减振模式下爆破振动信号的频率主要分布在10~80 Hz区间;无减振、建筑碎石减振、SD型橡胶垫3种减振模式下10~40 Hz频带的能量占比分别为79%、69%、66%,40~80 Hz频带的能量占比分别为11%、29%、31%。碎石和SD型橡胶垫具有吸能、减少低频成分和增加高频成分的效果,可有效降低近处测点的峰值振速。碎石减振模式下振动信号频带的能量分布较SD型橡胶垫模式下的能量分布更加均匀。

钢筋混凝土拱的水下抗爆性能

为探究水下爆炸荷载作用下钢筋混凝土拱的动力响应特性和破坏特征,制作了两个钢筋混凝土拱试件,并开展了水下爆炸试验。试验分为拱外爆炸和拱内爆炸两组,采用10 g乳化炸药,试验时爆源距结构面最小距离为10 cm(起爆点位于拱结构正上方和正下方),通过传感器记录爆炸试验中钢筋混凝土拱典型断面处的水压力及加速度时程曲线。基于Arbitrary Lagrange-Euler(ALE)算法,建立了空气-水-炸药-钢筋混凝土拱等多介质动态耦合作用模型,将数值模拟结果与试验结果对比,验证了数值方法的可靠性。采用验证后的数值模型进一步研究了拱外及拱内爆炸荷载作用下钢筋混凝土拱的动力响应差异。结果表明:相同炸药当量下,内部爆炸有更多的能量作用于混凝土拱,使结构的动力响应更强烈;外部爆炸下,拱顶、拱腰处产生较大裂缝;内部爆炸时,迎爆面裂缝数量明显增多,拱肩位置出现裂缝。钢筋混凝土拱形结构抵抗外部爆炸荷载的能力明显强于内部爆炸荷载。

地面爆炸作用下地下综合管廊动力响应的实验研究

为研究地下综合管廊结构的抗外部爆炸性能,针对整体现浇管廊和预制节段拼装管廊结构在地面爆炸作用下的动力响应特性和破坏模式开展了野外爆炸实验研究。通过11个工况的野外爆炸实验,观测了现浇管廊和预制节段拼装管廊在不同比例距离爆炸工况下的破坏特征和动力响应,对比分析了现浇管廊和预制节段拼装管廊的抗爆性能。结果表明:在地面爆炸作用下,现浇管廊和预制节段拼装管廊的顶板最终均出现弯剪破坏,整体现浇管廊的抗爆性能总体上优于预制节段拼装管廊。起爆位置对预制节段拼装管廊爆炸响应的影响较大,在节段中心上方起爆时结构损伤最严重。在小比例距离地面爆炸作用下,现浇管廊的损伤区域大于预制节段拼装管廊,预制节段拼装管廊的损伤集中在近爆心下方所在的节段或连接接缝处,节段间可产生较大残余滑移。

冲击波在高原隧道中传播的试验与数值模拟

为研究海拔效应对爆炸冲击波在隧道内传播规律的影响,开展了4500 m高原靶场的隧道口外爆炸试验,基于空气学理论提出的大气压强、空气密度、内能与海拔的关联性公式,建立了海平面、海拔1000、2500、4500 m条件下隧道数值计算模型,通过试验数据与仿真结果对比验证了数值模拟的有效性,分析了海拔条件对隧道内冲击波的超压参数的影响规律。研究结果表明,随着海拔的增加,隧道内相同测点处冲击波的超压峰值降低,冲击波的正压冲量减小,超压持续时间增加。根据上述计算结果,初步建立了隧道内冲击波超压和冲量预测方法。

近距爆炸装药形状对板架结构的损伤规律研究

为了研究近距爆炸时柱形装药长径比对板架结构变形损伤的影响规律,以某典型缩比板架结构作为研究对象,采用经实验验证的有限元模型,分析了5种不同长径比装药爆炸对板架变形损伤的影响,并对比分析了药柱与板架夹角为0°和90°两种情形的区别。研究结果表明:随着装药长径比的增大,夹角为90°情况下冲击波反射超压和冲量逐渐减小,夹角0°情况下冲击波反射超压和冲量逐渐增大,高压区逐渐从装药轴线方向到径向方向移动;板架的残余位移与装药质量近似满足线性关系,装药长径比增大时,夹角为90°时靶板的残余位移逐渐减小,夹角为0°时位移逐渐增大;基于板架中心点最大残余位移D,拟合得到了药柱轴线与靶板表面夹角为90°和0°时的轴向等效形状因子β_(1)和径向等效因子β_(2),当比例距离在0.4~0.7 m/kg^(1/3)范围内时,预测误差小于15%,能较好的预估不同装药长径比下板架的中心点残余位移,获取结构的损伤水平。

基于LSTM的勘察器外壁温度反演方法研究

对于星壤物质物化特性的反演是深空探测中最重要的一环,星壤的热导率、热容参数等热特性是研究星壤组成的科学依据,而温度测量是基于侵彻式的星壤原位探测的重要参数。针对月壤勘察器侵彻过程的外表面温度无法直接测量的问题,开展了基于LSTM神经网络算法的勘察器外表面温度反演方法的研究。借助ANSYS/LS-DYNA有限元软件实现侵彻过程的仿真模拟以获取多组勘察器弹头部内外表面温度数据,依据有限差分法离散热传导方程选取数据,采用长短期记忆神经网络来建立反演模型。通过模拟实验进行分析,该方法反演所得曲线和实验曲线相比均方根误差为12.9℃,最大相对误差不超过10%。实验结果表明本文所研究的方法可以实现勘察器外表面温度的反演。

泄压坑道式工房内爆试验与数值模拟研究

为探索复合构型坑道式工房内爆炸效应和泄压消波措施,提出泄压坑道式工房设计。通过理论分析和线性拓展预测的方法预判坑道内压力分布,建立多工况泄压坑道式工房的有限元模型。通过数值模拟得出结构内部和外部冲击波传播与衰减的规律,分析冲击波涡流成型机理以及泄压消波的过程,计算得到多工况下坑道内部和外部的压力分布规律。通过试验研究对线性拓展计算和数值模拟结果进行对比分析,揭示由丁字接头、泄压通道、膨胀室组成的复合构型坑道式工房对于消波效率的显著提升作用,得出坑道结构内泄压消波的效能以及坑道结构口部外冲击波分布规律,以期为坑道式工房的结构选型及布局优化设计提供技术支撑。

底部爆炸冲击下乘员脊柱的损伤行为和风险分析

底部爆炸冲击极易造成装甲车辆乘载员脊柱损伤,为全面了解底部爆炸冲击作用下的乘员脊柱各节段损伤行为和风险,通过基于高生物逼真度人体有限元模型的数值仿真模拟典型底部爆炸冲击下乘员脊柱的动态响应过程,融合运动学、动力学和生物力学响应研究脊柱各节段潜在的损伤行为,并利用生物力学指标分析不同受载工况和防护座椅设计参数下乘员脊柱的损伤风险。结果表明:C4~T3段脊柱后伸过展是棘突、横突和椎间盘纤维环的主要致伤因素,T7~T12段脊柱损伤主要受前屈过弯和轴向压缩共同作用,腰椎轴向压缩导致椎体前侧和椎间盘髓核处高损伤风险;脊柱各节段损伤风险随受载加速度峰值增大而提高,抗爆座椅防护下颈椎仍存在高骨折风险;减小座椅悬架刚度可降低乘员脊柱的损伤风险,但在0.6~1.2 kN·s/m范围内改变座椅悬架阻尼对乘员脊柱的损伤风险无明显影响。

气泡帷幕对爆破冲击波的削减效果及鱼类安全防护研究

航道整治工程中多采用水下爆破的方式对碍航礁石予以清除,爆破产生的冲击波会对鱼类安全存在一定的影响,目前多采用气泡帷幕的方式削减冲击波峰值压力。研究通过构建更接近实际的气泡帷幕数值模型,探明不同布置方式下气泡帷幕对爆破冲击波压力的削减效果及其作用下的鱼类存活最小体长。研究结果表明:气泡帷幕对冲击波压力的消减程度在前半段(65%~69%)大于后半段(10%~12%)。随着气泡体积占比的上升,气泡帷幕对冲击波峰值压力的削减率也随之提升,但当气泡体积占比达到40%后,削减率增幅减小且趋于平缓。气泡帷幕距爆源10、15、20 m下的鱼类存活最小体长分别为20~34、14~30、12~24 cm,气泡帷幕厚度为2、3、4 m下鱼类存活的最小体长分别为12~24、10~22、6~17 cm。研究结果可为航道整治工程实施下鱼类资源的保护提供理论依据。

水下非接触爆炸下冲击波载荷与速度场等效关系研究

对于平板在水下非接触爆炸下的结构响应问题,学界目前常采用仿真和试验手段开展研究。但目前的仿真手段主要采用任意拉格朗日欧拉(arbitrary Lagrange-Euler, ALE)方法进行,计算效率低且在中远场计算中难以得到真实的结果,而试验手段成本较高。基于能流密度公式和TAYLOR板理论对平板水下非接触爆炸冲击波载荷与速度场等效关系展开研究,提出了冲击波载荷和等效初速度场的等效换算方法,建立了平板初速度场与水下爆炸参数的等效关系并开展试验验证。结果表明,基于能流密度的冲击波等效初速度场具有更好的计算精度和效率,这一方法可作为研究平板或者简单板架在水下爆炸冲击波作用下结构响应的一个重要的等效计算方法。

不同类型炸药近场水下爆炸下固支方板动态响应研究

该文开展了2.5 g TNT、RDX和B炸药在固支方板底部近距离起爆的水下爆炸试验,研究了固支方板在水下爆炸冲击波、气泡脉动、水射流载荷共同作用下的动态响应。试验结果表明:含能较低的TNT炸药使方板呈现整体上凸式永久变形,含能较高的B炸药和RDX炸药会使方板呈现中部上凸、边部下凹式永久变形。为了进一步探讨不同炸药对固支方板的毁伤特性,通过ABAQUS软件对水下爆炸全过程进行数值模拟,数值模拟结果显示:在气泡膨胀的过程中,气泡内部压力逐渐小于大气压力,固支方板在压力差的作用下向下凹陷,接着在气泡脉动和水射流的联合作用下向上凸起,在不同类型炸药产生的气泡作用下方板凸起过程中动态响应的差异是其呈现不同毁伤形态的根本原因。仿真结果还显示,固支方板的最大等效塑性应变发生在固支边界处;增加板厚可有效防止固支方板发生中凸边凹式变形。该文的工作可为水下战斗部设计提供参考。

柱形装药空中运动爆炸冲击波荷载计算模型

为预测战斗部的爆炸威力,对柱形装药运动爆炸的入射和反射冲击波峰值超压和最大冲量开展数值仿真研究。首先,基于AUTODYN有限元分析程序提出了“三阶段”装药运动爆炸有限元分析方法,通过与已有静止和运动爆炸试验结果对比,验证了方法的可靠性。然后,考虑装药运动速度、长径比、比例距离、方位角和刚性反射等影响因素,开展了运动爆炸工况下200组柱形装药的数值模拟。结果表明:相较于静爆,动爆冲击波场整体前移,波阵面强度在装药运动方向增强而在反方向减弱,该影响与装药运动速度正相关。最后,针对柱形装药空中自由场运动爆炸和垂直于目标迎爆面运动爆炸的典型工况,分别提出了装药运动爆炸入射和反射冲击波峰值超压以及最大冲量的计算模型。该模型与2种战斗部柱形TNT装药运动爆炸工况的数值模拟结果符合良好,能较好地计算柱形装药空中运动爆炸冲击波荷载。